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Moteur Stirling : Quels sont ses avantages ?

Moteur Stirling
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Un moteur Stirling est un moteur thermique alternatif qui utilise la chaleur d'une source externe pour créer de l'énergie pour le cycle de travail. Cette chaleur est souvent obtenue par combustion externe, il s'agit donc d'un moteur à combustion externe.

Ce type de moteur utilise l'énergie chimique obtenue en brûlant du carburant pour chauffer la substance de travail, qui effectue ensuite un travail dans le moteur. La combustion a toujours lieu à l'extérieur du moteur et la substance active est le plus souvent du gaz.

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L'histoire du moteur Stirling en bref

Le développement du moteur Stirling a commencé au début du 19e siècle lorsque l'ingénieur et ecclésiastique écossais Robert Stirling a tenté de créer une alternative plus sûre aux moteurs à vapeur, connus pour exploser. Le moteur Stirling a été breveté en 1816. Au cours des années suivantes, il a subi plusieurs améliorations pour augmenter son efficacité. Les frères Stirling ont également breveté un moteur à air chaud en 1827.

Au cours des XIXe et XXe siècles, les moteurs Stirling ont connu un intérêt et une innovation accrus, en particulier pendant les pénuries de carburant ou les périodes de progrès technologique rapide. De nos jours, les moteurs Stirling reviennent sur le devant de la scène en tant qu'alternative écologique aux moteurs à combustion traditionnels.

La construction du moteur Stirling

Moteur Stirling

En termes de conception, le moteur Stirling présente de nombreux avantages par rapport aux autres moteurs à combustion. Le moteur est robuste et a une construction simple, ce qui le rend très fiable.

Ce moteur est encapsulé et étanche, ce qui lui permet d'être utilisé, par exemple, sous l'eau ou dans le vide. Étant donné que le carburant ne brûle pas à l'intérieur du moteur, il n'y a pas de bruit ou de vibration inutile.

Le moteur est donc plus silencieux, plus raffiné et a une durée de vie plus longue que les moteurs thermiques classiques car ses pièces sont moins sollicitées. L'efficacité du moteur Stirling est la même, parfois même supérieure, à celle des meilleurs moteurs diesel. Cependant, son plus grand avantage est que différents types de carburant peuvent être utilisés pour entraîner le moteur.

Comment fonctionne un moteur Stirling monocylindre ?

Moteur Stirling

Initialement, le gaz est à basse température, et donc la pression est située entre les pistons de travail inférieur (fuite) et supérieur (étanche), qui sont interconnectés. Le piston inférieur se déplace vers la partie supérieure du cylindre et expulse le gaz, qui s'écoule autour du piston dans la partie inférieure du cylindre, qui est chauffée par une source de chaleur externe.

Grâce au chauffage, la température du gaz à l'intérieur du cylindre augmente. Le gaz augmente ainsi son volume et sa pression et se dilate vers le haut tout en circulant à nouveau autour du piston qui fuit.

Au sommet du cylindre, le gaz est refroidi, réduisant son volume et sa pression, ce qui fait descendre le piston de travail, soulevant le piston qui fuit vers le haut et permettant au gaz de retourner au fond du cylindre, qui est chauffé. Ce cycle ne cesse de se répéter.

Comment fonctionne un moteur Stirling à deux cylindres ou plus ?

Moteur Stirling

Une source de chaleur externe chauffe le cylindre rouge. Le gaz dans le cylindre augmente son volume et sa pression, poussant le piston du cylindre (rouge) vers le haut. Une fois que le piston a atteint la limite supérieure du cylindre, le gaz s'écoule à travers le tube dans le deuxième cylindre (bleu).

Là, il est refroidi, grâce à quoi réduit son volume et sa pression, ce qui fait tomber le piston, ce qui repousse le gaz refroidi dans le cylindre chauffé.

Avantages du moteur Stirling

Le moteur Stirling a une utilisation polyvalente et une efficacité comparable aux moteurs à étincelles ou diesel. Comme mentionné, il s'agit d'un moteur à combustion externe, qui crée moins de substances nocives.

Étant donné qu'aucune substance n'entre ou ne sort du moteur, il est possible d'utiliser le remplissage le plus approprié dans les cylindres. Les principaux avantages du moteur Stirling sont les suivants :

  1. Polyvalence du carburant : les moteurs Stirling peuvent fonctionner avec pratiquement n'importe quelle source de chaleur, ce qui les rend adaptables à une large gamme de carburants, y compris les sources d'énergie renouvelables telles que l'énergie solaire.
  2. Haute efficacité : grâce au régénérateur et aux processus isothermes, les moteurs Stirling peuvent atteindre une efficacité thermique supérieure à celle des moteurs à combustion.
  3. Faibles émissions : le processus de combustion externe réduit les émissions et la pollution, faisant des moteurs Stirling une solution respectueuse de l'environnement. Moins de substances nocives pénètrent dans l'air en raison de l'absence d'huile dans le carburant.
  4. Fonctionnement silencieux : les moteurs Stirling fonctionnent avec un minimum de bruit et de vibrations car il n'y a pas de combustion interne et pas d'évacuation rapide des gaz d'échappement.

Carburants pour le moteur Stirling

Moteur Stirling en marche

Comme déjà mentionné, un énorme avantage du moteur Stirling par rapport aux autres moteurs à combustion est qu'une large gamme de carburants différents peut être utilisée pour alimenter le moteur, tels que :

  • Gaz naturel (il obtient les meilleurs résultats d'un point de vue économique mais aussi écologique)
  • Combustibles liquides et gazeux
  • Combustible solide
  • Biomasse (copeaux de bois, résidus végétaux, et autres...) • • • Biogaz (gaz de décharges, stations d'épuration, gaz de coke)
  • Énergie solaire
  • bien d'autres...

Hormis le moteur Stirling, aucun autre moteur ne peut utiliser un groupe aussi large de sources différentes pour sa propulsion.

Inconvénients du moteur Stirling

Comme tout autre appareil, le moteur Stirling a des avantages et des inconvénients. Nous pouvons inclure les suivants parmi les inconvénients de ce moteur :

  • Rapport puissance/poids inférieur : par rapport aux moteurs à combustion, les moteurs Stirling ont un rapport puissance/poids inférieur.
  • Conception complexe : les moteurs Stirling ont une conception plus complexe, ce qui entraîne des coûts de production plus élevés et une maintenance plus fastidieuse.
  • La complexité des matériaux : un transfert de chaleur efficace entre la chambre chaude et la chambre froide est essentiel pour des performances optimales. Par conséquent, les exigences en matière de matériaux d'étanchéité sont élevées, et donc les coûts de production.

Utilisation du moteur Stirling

Moteur Stirling

Le moteur Stirling est utilisé dans une large gamme d'applications en raison de sa polyvalence et de ses propriétés uniques :

  • Production d'électricité : le moteur Stirling peut générer de l'électricité dans des régions éloignées en utilisant la chaleur résiduelle ou des sources d'énergie renouvelables telles que l'énergie solaire.
  • Cogénération : dans les systèmes de production combinée de chaleur et d'électricité (CHP), un moteur Stirling peut récupérer la chaleur résiduelle des processus industriels ou des bâtiments, ce qui augmente l'efficacité énergétique.
  • Propulsion marine : le moteur Stirling est utilisé dans les sous-marins et autres navires de guerre pour un fonctionnement silencieux et une économie de carburant.
  • Puissance des engins spatiaux : les générateurs de radio-isotopes Stirling sont utilisés comme source d'alimentation pour les missions dans l'espace, comme le NASA Advanced Radioisotope Stirling Generator (ASRG).

Innovations futures

Moteur Stirling

Les moteurs Stirling sont sur le point de jouer un rôle important dans la transition vers des solutions énergétiques plus propres et plus efficaces. Les domaines potentiels d'innovation future comprennent :

  • Énergie solaire : les systèmes d'énergie solaire concentrée peuvent utiliser des moteurs Stirling pour convertir la lumière du soleil en électricité, offrant ainsi une ressource renouvelable.
  • Récupération de la chaleur perdue : le développement de matériaux et de conceptions avancés peut encore améliorer l'efficacité des moteurs Stirling, ce qui en fait une option attrayante pour la récupération de la chaleur perdue et les économies d'énergie.
  • Utilisation automobile : bien qu'elle ne soit pas encore répandue, l'intégration des moteurs Stirling dans les systèmes de véhicules hybrides pourrait contribuer à réduire la consommation de carburant et les émissions.

Faits intéressants sur le moteur Stirling

  • Premier moteur breveté : le moteur Stirling a été le premier moteur breveté, qui a reçu son brevet en 1816, avant même le moteur à combustion interne.
  • Innovation en matière de sécurité : le moteur Stirling a été développé à l'origine comme une alternative plus sûre aux moteurs à vapeur susceptibles d'exploser en raison de la vapeur à haute pression.
  • Sous-marins suédois : la marine suédoise utilise des moteurs Stirling dans ses sous-marins de classe Gotland depuis 1996, profitant du fonctionnement silencieux et de l'efficacité des moteurs.
  • Philips Electronics : dans les années 1950, Philips Electronics a développé une gamme de moteurs Stirling destinés aux radios et autres petits appareils, contribuant ainsi à populariser la technologie.
  • Moteur Stirling le plus ancien : le moteur Stirling le plus ancien est situé à l'Université de Canterbury en Nouvelle-Zélande. Ce moteur, connu sous le nom de Canterbury Ringbom, est en service depuis 1986.

Foire aux questions sur le moteur Stirling

Q : Un moteur Stirling peut-il être utilisé dans une voiture ?

Réponse : Le moteur Stirling n'est pas encore répandu dans l'automobile en raison de son faible rapport puissance/poids et de sa complexité. Cependant, il peut être intégré dans les systèmes de véhicules hybrides pour améliorer l'efficacité énergétique et réduire les émissions.

Question : Comment l'efficacité d'un moteur Stirling se compare-t-elle à celle d'un moteur à combustion interne ?

Réponse : Le moteur Stirling peut atteindre une efficacité thermique supérieure à celle des moteurs à combustion interne, atteignant souvent des rendements de 30 à 40 % ou plus, tandis que les moteurs à combustion interne ont généralement une efficacité d'environ 20 à 25 %.

Question : Quels sont les principaux facteurs affectant l'efficacité d'un moteur Stirling ?

Réponse : L'efficacité d'un moteur Stirling dépend de plusieurs facteurs, notamment la différence de température entre les chambres chaude et froide, la conception du régénérateur, le gaz de travail et les pertes mécaniques dans le moteur.

Q : Comment démarre un moteur Stirling ?

Réponse : Un moteur Stirling nécessite une source de chaleur externe pour démarrer. Une fois que le gaz de travail se réchauffe et commence à se dilater, le moteur démarre et continue de fonctionner tant que la source de chaleur est maintenue.

Q : Quel gaz de travail est utilisé dans un moteur Stirling ?

Réponse : Le gaz de travail dans un moteur Stirling peut varier en fonction de la conception et de l'application spécifiques. Les gaz couramment utilisés comprennent l'air, l'hydrogène, l'hélium et l'azote.

Conclusion

Le moteur Stirling offre une combinaison unique de polyvalence de carburant, de rendement élevé et de faibles émissions, ce qui permet une large gamme d'applications. Au fur et à mesure que la technologie progresse, le potentiel du moteur Stirling augmentera, tout comme son utilisation dans divers domaines.

Voir un moteur Stirling fonctionnel dans une version réduite :